Перенос носителей тока в полупроводниках

Introduction

Носителями тока в полупроводниках являются электроны и дырки. Носители тока движутся в периодическом поле атомов кристалла так, как будто они являются свободными частицами. Влияние периодического потенциала сказывается только на величине массы носителя. Т.е., под действием периодического потенциала меняется масса носителя. В этой связи в физике твердого тела вводят понятие эффективной массы электрона и дырки. Средняя энергия теплового движения электронов и дырок равна kT /2 на каждую степень свободы. Тепловая скорость электрона и дырки при комнатной температуре равна примерно 10 7 см/c.

Если к полупроводнику приложить электрическое поле, то это поле вызовет дрейф носителей тока. При этом скорость носителей сначала будет увеличиваться с ростом поля, достигнет среднего значения скорости и потом перестанет меняться, поскольку происходит рассеяние носителей. Причиной рассеяния являются дефекты, примеси и испускание или поглощение фононов. Основной причиной рассеяния носителей являются заряженные примеси и тепловых колебаниях атомов решетки (поглощение/испускание фононов). Взаимодействие с ними приводит к резкому изменению скорости носителей и направлению их перемещения. Изменение направления скорости носителей носит случайный характер. Дополнительным механизмом рассеяния носителей тока является рассеяние носителей на поверхности полупроводника.

При наличии внешнего электрического поля на случайный характер перемещения носителей в полупроводнике накладывается направленное движение носителей под действием поля в перерывах между соударениями. И даже, несмотря на то, что скорость случайного перемещения носителей может во много раз превосходить скорость направленного перемещения носителей под действием электрического поля, случайной составляющей перемещения носителей можно пренебречь, поскольку при случайном движении результирующий поток носителей равен нулю. Ускорение носителей под действием внешнего поля подчиняется законам динамики Ньютона. Рассеяние приводит к резкому изменению направления перемещения и величины скорости, но после рассеяния ускоренное движение частицы под действием поля возобновляется.

Результирующий эффект столкновений состоит в том, что ускорения частиц не происходит, но частицы быстро достигают постоянной скорости движения. Это эквивалентно введению тормозящей компоненты в уравнение движения частицы, характеризуемой постоянной времени t . За этот промежуток времени частица теряет количество движенияmv , определяемое средней скоростьюv . Для частицы, которая имеет постоянное ускорение между соударениями, эта постоянная времени равна времени между двумя последовательными соударениями. Рассмотрим подробнее механизмы переноса носителей тока в полупроводниках.

Дрейфовый ток (Drift Current)

Дрейфовое движение носителей в полупроводнике под действием электрического поля можно проиллюстрировать рисунком ХХХ. Поле сообщает носителям скорость v .

Fig . Движение носителей под действием поля .

Если принять, что все носители в полупроводнике движутся с одинаковой скоростью v , то ток можно выразить как отношение общего перемещенного между электродами заряда к времени t r прохождения этого заряда от одного электрода к другому, или:

где L – расстояние между электродами.

Плотность тока теперь можно выразить через концентрацию носителей тока n в полупроводнике:

где А –площадь сечения полупроводника.

Подвижность (Mobility)

Характер движения носителей тока в полупроводнике в отсутствии поля и под действием внешнего электрического поля приведен на рисунке ХХХ. Как уже отмечалось, тепловая скорость электронов порядка 10 7 cm/sи она существенно выше дрейфовой скорости электронов.

Fig . Случайный характер движения носителей тока в полупроводнике в отсутствии и при наличии внешнего поля.

Рассмотрим движение носителей только под действием электрического поля. В соответствии с законом Ньютона:

где сила включает в себя две составляющие – электростатическую силу и минус силу, обуславливающую потери количества движения при рассеянии, деленную на время между соударениями:

Приравнивая эти выражения и используя выражение для средней скорости, получим:

Рассмотрим только стационарный случай, когда частица уже ускорилась и достигла своей средней постоянной скорости. В этом приближении скорость пропорциональна напряженности электрического поля. Коэффициент пропорциональности между последними величинами определяется как подвижность:

Подвижность обратно пропорциональна массе носителя и прямо пропорциональна времени свободного пробега.

Плотность дрейфового тока можно записать как функцию подвижности:

Как уже отмечалось, в полупроводниках масса носителей не равна массе электрона в вакууме, m и в формуле для подвижности следует использовать эффективную массу,m * :

Диффузия носителей тока в полупроводниках.

Диффузионный ток

Если внешнее электрическое поле в полупроводнике отсутствует, то наблюдается случайное перемещение носителей тока – электронов и дырок под действием тепловой энергии. Это случайное перемещение не приводит к направленному перемещению носителей и образованию тока. Всегда вместо ушедшего из какого-либо места носителя на его место придет другой. Так что по всему объему полупроводника сохраняется однородная плотность носителей.

Но ситуация меняется, если носители распределены по объему неравномерно, т.е. имеет место градиент концентрации. В этом случае под действием градиента концентрации возникает направленное перемещение носителей –диффузия из области, где концентрация выше, в область с низкой концентрацией. Направленное перемещение заряженных носителей под действием диффузии создает диффузионный ток. Рассмотрим этот эффект более подробно.

Получим соотношение для диффузионного тока. Будем исходить из того, что направленное перемещение носителей под действием градиента концентрации происходит в результате теплового движения (при температуре
по Кельвину на каждую степень свободы частицы приходится энергия
), т.е. диффузия отсутствует при нулевой температуре (дрейф носителей возможен и при 0К).

Несмотря на то, что случайный характер движения носителей под действием тепла требует статистического подхода, вывод формулы для диффузионного тока будет основан на использовании средних величин, характеризующих процессы. Результат получается один и тот же.

Введем средние величины – среднюю тепловую скорость v th , среднее время между соударениями, , и среднюю длину свободного пробега,l . Средняя тепловая скорость может быть направлена как в положительном, так и в отрицательном направлении. Эти величины связаны между собой соотношением

Рассмотрим ситуацию с неоднородным распределением электронов n (x ) (см. Рис ХХХ).

Fig. 1 Carrier density profile used to derive the diffusion current expression

Рассмотрим поток электронов через плоскость с координатой x = 0. Носители в эту плоскость приходят как слева со стороны координатыx = - l , так и справа со стороны координатыx = l . Поток электронов слева направо равен

где коэффициент ½ означает, что половина электронов в плоскости с координатой x = - l движется налево, а вторая половина – направо. Аналогично, поток электронов черезx = 0 приходящий справа со стороныx = + l будет равен:

Общий поток электронов, проходящих через плоскость x = 0 слева направо, будет равен:

Считая, что средняя длина свободного пробега электронов достаточно мала, мы можем записать разницу в концентрациях электронов справа и слева от координаты x = 0 через отношение разности концентраций к расстоянию между плоскостями, т.е. через производную:

Плотность тока электронов будет равна:

Обычно произведение тепловой скорости на среднюю длину свободного пробега заменяют одним сомножителем, называемым коэффициентом диффузии электронов, D n .

Аналогичные соотношения можно записать и для дырочного диффузионного тока:

Следует только помнить, что заряд дырок положительный.

Между коэффициентом диффузии и подвижностью существует связь. Хотя на первый взгляд может показаться, что эти коэффициенты не должны быть связаны между собой, поскольку диффузия носителей обусловлена тепловым движением, а дрейф носителей обусловлен внешним электрическим полем. Однако один из основных параметров – время между соударениями не должен зависеть от причины, вызвавшей движение носителей.

Используем определение тепловой скорости как,

и выводы термодинамики о том, что на каждую степень свободы движения электрона приходится тепловая энергия kT /2, равная кинетической:

Из этих соотношений можно получить произведение тепловой скорости и средней длины свободного пробега, выраженное через подвижность носителя:

Но произведение тепловой скорости и средней длины свободного пробега мы уже определили как коэффициент диффузии. Тогда последнее соотношение для электронов и дырок можно записать в следующем виде:

Эти соотношения называются соотношениями Эйнштейна.

Общий ток

Общий ток через полупроводник является суммой дрейфового и диффузионного тока. Для плотности тока электронов можно записать:

и аналогично для дырок:

Общая плотность тока через полупроводник равен сумме электронного и дырочного тока:

Суммарный ток через полупроводник равен произведению плотности тока на площадь полупроводника:

Ток можно записать также в следующей форме:

Условие равновесия неоднородно легированного полупроводника

(условие отсутствия тока через полупроводник)

Полупроводники занимают промежуточное положение по электропроводности (или по удельному сопротивлению) между проводниками и диэлектриками. Однако это деление всех веществ по их свойству электропроводности является условным, так как под действием ряда причин (примеси, облучение, нагревание) электропроводность и удельное сопротивление у многих веществ весьма значительно изменяются, особенно у полупроводников.

В связи с этим полупроводники от металлов отличают по целому ряду признаков:

1. удельное сопротивление у полупроводников при обычных условиях гораздо больше, чем у металлов;

2. удельное сопротивление чистых полупроводников уменьшается с ростом температуры (у металлов оно растет);

3. при освещении полупроводников их сопротивление значительно уменьшается (на сопротивление металлов свет почти не влияет):

4. ничтожное количество примесей оказывает сильное влияние на сопротивление полупроводников.

К полупроводникам принадлежат 12 химических элементов в средней части таблицы Менделеева (рис. 1) - В, С, Si, Ρ, S, Ge, As, Se, Sn, Sb, Те, I, соединения элементов третьей группы с элементами пятой группы, многие оксиды и сульфиды металлов, ряд других химических соединений, некоторые органические вещества. Наибольшее применение для науки и техники имеют германий Ge и кремний Si.

Полупроводники могут быть чистыми и с примесями. Соответственно различают собственную и примесную проводимость полупроводников. Примеси в свою очередь делят на донорные и акцепторные.

Собственная электрическая проводимость

Для понимания механизма электрической проводимости в полупроводниках рассмотрим строение полупроводниковых кристаллов и природу связей, удерживающих атомы кристалла друг возле друга. Кристаллы германия и других полупроводников имеют атомную кристаллическую решетку (рис. 2).

Плоская схема структуры германия показана на рисунке 3.

Германий - четырехвалентный элемент, во внешней оболочке атома есть четыре электрона, слабее связанных с ядром, чем остальные. Число ближайших соседей каждого атома германия также равно 4. Четыре валентных электрона каждого атома германия связаны с такими же электронами соседних атомов химическими парноэлектронными (ковалентными ) связями. В образовании этой связи от каждого атома участвует по одному валентному электрону, которые отщепляются от атомов (коллективизируются кристаллом) и при своем движении большую часть времени проводят в пространстве между соседними атомами. Их отрицательный заряд удерживает положительные ионы германия друг возле друга. Такого рода связь условно может быть изображена двумя линиями, соединяющими ядра (см. рис. 3).

Но коллективизированная пара электронов принадлежит не только двум атомам. Каждый атом образует четыре связи с соседними, а данный валентный электрон может двигаться по любой из них (рис. 4). Дойдя до соседнего атома, он может перейти к следующему, а затем дальше вдоль всего кристалла. Коллективизированные валентные электроны принадлежат всему кристаллу.

Ковалентные связи германия достаточно прочны и при низких температурах не разрываются. Поэтому германий при низкой температуре не проводит электрический ток. Участвующие в связи атомов валентные электроны прочно привязаны к кристаллической решетке, и внешнее электрическое поле не оказывает заметного влияния на их движение. Аналогичное строение имеет и кристалл кремния.

Электропроводимость химически чистого полупроводника возможна в том случае, когда ковалентные связи в кристаллах разрываются и появляются свободные электроны.

Дополнительная энергия, которая должна быть затрачена, чтобы разорвать ковалентную связь и сделать электрон свободным, называется энергией активации .

Получить эту энергию электроны могут при нагревании кристалла, при облучении его высокочастотными электромагнитными волнами и т.д.

Как только электрон, приобретя необходимую энергию, уходит с локализованной связи, на ней образуется вакансия. Эту вакансию может легко заполнить электрон с соседней связи, на которой, таким образом, также образуется вакансия. Таким образом, благодаря перемещению электронов связи происходит перемещение вакансий по всему кристаллу. Эта вакансия ведет себя точно так же, как и свободный электрон - она свободно перемещается по объему полупроводника. Более того, учитывая, что и полупроводник в целом, и каждый его атом при не нарушенных ковалентных связях электрически нейтральны, можно сказать, что уход электрона со связи и образование вакансии фактически эквивалентно появлению на этой связи избыточного положительного заряда. Поэтому образовавшуюся вакансию можно формально рассматривать как носитель положительного заряда, который называют дыркой (рис. 5).

Таким образом, уход электрона с локализованной связи порождает пару свободных носителей заряда - электрон и дырку. Их концентрация в чистом полупроводнике одинакова. При комнатной температуре концентрация свободных носителей в чистых полупроводниках невелика, примерно в 10 9 ÷ 10 10 раз меньше концентрации атомов, но при этом она быстро возрастает с увеличением температуры.

• Сравните с металлами: там концентрация свободных электронов примерно равна концентрации атомов.

В отсутствие внешнего электрического поля эти свободные электроны и дырки движутся в кристалле полупроводника хаотически.

Во внешнем электрическом поле электроны перемещаются в сторону, противоположную направлению напряженности электрического поля. Положительные дырки перемещаются в направлении напряженности электрического поля (рис. 6). Процесс перемещения электронов и дырок во внешнем поле происходит по всему объему полупроводника.

Общая удельная электропроводность полупроводника складывается из дырочной и электронной проводимостей. При этом у чистых полупроводников число электронов проводимости всегда равно числу дырок. Поэтому говорят, что чистые полупроводники обладают электронно-дырочной проводимостью , или собственной проводимостью .

С повышением температуры возрастает число разрывов ковалентных связей и увеличивается количество свободных электронов и дырок в кристаллах чистых полупроводников, а, следовательно, возрастает удельная электропроводность и уменьшается удельное сопротивление чистых полупроводников. График зависимости удельного сопротивления чистого полупроводника от температуры приведен на рис. 7.

Кроме нагревания, разрыв ковалентных связей и, как следствие, возникновение собственной проводимости полупроводников и уменьшение удельного сопротивления могут быть вызваны освещением (фотопроводимость полупроводника), а также действием сильных электрических полей.

Примесная проводимость полупроводников

Проводимость полупроводников увеличивается с введением примесей, когда наряду с собственной проводимостью возникает дополнительная примесная проводимость.

Примесной проводимостью полупроводников называется проводимость, обусловленная наличием примесей в полупроводнике.

Примесными центрами могут быть:

1. атомы или ионы химических элементов, внедренные в решетку полупроводника;

2. избыточные атомы или ионы, внедренные в междоузлия решетки;

3. различного рода другие дефекты и искажения в кристаллической решетке: пустые узлы, трещины, сдвиги, возникающие при деформациях кристаллов, и др.

Изменяя концентрацию примесей, можно значительно увеличивать число носителей зарядов того или иного знака и создавать полупроводники с преимущественной концентрацией либо отрицательно, либо положительно заряженных носителей.

Примеси можно разделить на донорные (отдающие) и акцепторные (принимающие).

Донорная примесь

• От латинского «donare» - давать, жертвовать.

Рассмотрим механизм электропроводности полупроводника с донорной пятивалентной примесью мышьяка As, которую вводят в кристалл, например, кремния. Пятивалентный атом мышьяка отдает четыре валентных электрона на образование ковалентных связей, а пятый электрон оказывается незанятым в этих связях (рис. 8).

Энергия отрыва (энергия ионизации) пятого валентного электрона мышьяка в кремнии равна 0,05 эВ = 0,08⋅10 -19 Дж, что в 20 раз меньше энергии отрыва электрона от атома кремния. Поэтому уже при комнатной температуре почти все атомы мышьяка теряют один из своих электронов и становятся положительными ионами. Положительные ионы мышьяка не могут захватить электроны соседних атомов, так как все четыре связи у них уже укомплектованы электронами. В этом случае перемещения электронной вакансии - «дырки» не происходит и дырочная проводимость очень мала, т.е. практически отсутствует.

Донорные примеси - это примеси легко отдающие электроны и, следовательно, увеличивающие число свободных электронов. При наличии электрического поля свободные электроны приходят в упорядоченное движение в кристалле полупроводника, и в нем возникает электронная примесная проводимость. В итоге мы получаем полупроводник с преимущественно электронной проводимостью, называемый полупроводником n-типа. (От лат. negativus - отрицательный).

Поскольку в полупроводнике n-типа число электронов значительно больше числа дырок, то электроны являются основными носителями заряда, а дырки - неосновными.

Акцепторная примесь

• От латинского «acceptor» - приемщик.

В случае акцепторной примеси, например, трехвалентного индия In атом примеси может дать свои три электрона для осуществления ковалентной связи только с тремя соседними атомами кремния, а одного электрона «недостает» (рис. 9). Один из электронов соседних атомов кремния может заполнить эту связь, тогда атом In станет неподвижным отрицательным ионом, а на месте ушедшего от одного из атомов кремния электрона образуется дырка. Акцепторные примеси, захватывая электроны и создавая тем самым подвижные дырки, не увеличивают при этом числа электронов проводимости. Основные носители заряда в полупроводнике с акцепторной примесью - дырки, а неосновные - электроны.

Акцепторные примеси - это примеси, обеспечивающие дырочную проводимость.

Полупроводники, у которых концентрация дырок превышает концентрацию электронов проводимости, называются полупроводниками р-типа (От лат. positivus - положительный.).

Необходимо отметить, что введение примесей в полупроводники, как и в любых металлах, нарушает строение кристаллической решетки и затрудняет движение электронов. Однако сопротивление не увеличивается из-за того, что увеличение концентрации носителей зарядов значительно уменьшает сопротивление. Так, введение примеси бора в количестве 1 атом на сто тысяч атомов кремния уменьшает удельное электрическое сопротивление кремния приблизительно в тысячу раз, а примесь одного атома индия на 10 8 - 10 9 атомов германия уменьшает удельное электрическое сопротивление германия в миллионы раз.

Если в полупроводник одновременно вводятся и донорные, и акцепторные примеси, то характер проводимости полупроводника (n- или p-тип) определяется примесью с более высокой концентрацией носителей заряда.

Электронно-дырочный переход

Электронно-дырочный переход (сокращенно р-n-переход) возникает в полупроводниковом кристалле, имеющем одновременно области с n-типа (содержит донорные примеси) и р-типа (с акцепторными примесями) прово-димостями на границе между этими областями.

Допустим, у нас есть кристалл, в котором слева находится область полупроводника с дырочной (p-типа), а справа - с электронной (n-типа) проводимостью (рис. 10). Благодаря тепловому движению при образовании контакта электроны из полупроводника n-типа будут диффундировать в область р-типа. При этом в области n-типа останется нескомпенсированный положительный ион донора. Перейдя в область с дырочной проводимостью, электрон очень быстро рекомбинирует с дыркой, при этом в области р-типа образуется нескомпенсированный ион акцептора.

Аналогично электронам дырки из области р-типа диффундируют в электронную область, оставляя в дырочной области нескомпенсированный отрицательно заряженный ион акцептора. Перейдя в электронную область, дырка рекомбинирует с электроном. В результате этого в электронной области образуется нескомпенсированный положительный ион донора.

В результате диффузии на границе между этими областями образуется двойной электрический слой разноименно заряженных ионов, толщина l которого не превышает долей микрометра.

Между слоями ионов возникает электрическое поле с напряженностью E i . Электрическое поле электронно-дырочного перехода (р-n-переход) препятствует дальнейшему переходу электронов и дырок через границу раздела двух полупроводников. Запирающий слой имеет повышенное сопротивление по сравнению с остальными объемами полупроводников.

Внешнее электрическое поле с напряженностью E влияет на сопротивление запирающего электрического поля. Если n-полупроводник подключен к отрицательному полюсу источника, а плюс источника соединен с p-полупроводником, то под действием электрического поля электроны в n-полупроводнике и дырки в p-полупроводнике будут двигаться навстречу друг другу к границе раздела полупроводников (рис. 11). Электроны, переходя границу, «заполняют» дырки. При таком прямом направлении внешнего электрического поля толщина запирающего слоя и его сопротивление непрерывно уменьшаются. В этом направлении электрический ток проходит через р-n-переход.

Рассмотренное направление p-n-перехода называют прямым . Зависимость силы тока от напряжения, т.е. вольт-амперная характеристика прямого перехода, изображена на рис. 12 сплошной линией.

Если n-полупроводник соединен с положительным полюсом источника, а p-полупроводник - с отрицательным, то электроны в n-полупроводнике и дырки в p-полупроводнике под действием электрического поля будут перемещаться от границы раздела в противоположные стороны (рис. 13). Это приводит к утолщению запирающего слоя и увеличению его сопротивления. Направление внешнего электрического поля, расширяющее запирающий слой, называется запирающим (обратным ). При таком направлении внешнего поля электрический ток основных носителей заряда через контакт двух п- и p-полупроводников не проходит.

Ток через p-n-переход теперь обусловлен электронами, которые есть в полупроводнике p-типа, и дырками из полупроводника n-типа. Но неосновными носителей заряда очень мало, поэтому проводимость перехода оказывается незначительной, а его сопротивление - большим. Рассмотренное направление p-n-перехода называют обратным , его вольт-амперная характеристика изображена на рис. 12 штриховой линией.

Обратите внимание, что масштаб измерения силы тока при прямом и обратном переходах отличаются в тысячу раз.

Заметим, что при определенном напряжении, приложенном в обратном направлении, происходит пробой (т.е. разрушение) p-n-перехода.

Полупроводниковые приборы

Термисторы

Электрическое сопротивление полупроводников в значительной степени зависит от температуры. Это свойство используют для измерения температуры по силе тока в цепи с полупроводником. Такие приборы называют терморезисторами или термисторами . Полупроводниковое вещество помещается в металлический защитный чехол, в котором имеются изолированные выводы для включения терморезистора в электрическую цепь.

Изменение сопротивления терморезисторов при нагревании или охлаждении позволяет использовать их в приборах для измерения температуры, для поддержания постоянной температуры в автоматических устройствах - в закрытых камерах-термостатах, для обеспечения противопожарной сигнализации и т.д. Существуют термисторы для измерения как очень высоких (Т ≈ 1300 К), так и очень низких (Т ≈ 4 - 80 К) температур.

Схематическое изображение (рис. а) и фотография (рис. б) термистора приведено на рисунке 14.

Рис. 14

Фоторезисторы

Электрическая проводимость полупроводников повышается не только при нагревании, но и при освещении. Электрическая проводимость возрастает вследствие разрыва связей и образования свободных электронов и дырок за счет энергии света, падающего на полупроводник.

Приборы, в которых учитывается зависимость электрической проводимости полупроводников от освещения, называют фоторезисторами .

Материалами для изготовления фоторезисторов служат соединения типа CdS, CdSe, PbS и ряд других.

Миниатюрность и высокая чувствительность фоторезисторов позволяют использовать их для регистрации и измерения слабых световых потоков. С помощью фоторезисторов определяют качество поверхностей, контролируют размеры изделий и т.д.

Схематическое изображение (рис. а) и фотография (рис. б) фоторезистора приведено на рисунке 15.

Рис. 15

Полупроводниковый диод

Способность p-n-перехода пропускать ток в одном направлении используется в полупроводниковых приборах, называемых диодами .

Полупроводниковые диоды изготавливают из германия, кремния, селена и других веществ.

Для предотвращения вредных воздействий воздуха и света кристалл германия помещают в герметический металлический корпус. Полупроводниковые диоды являются основными элементами выпрямителей переменного тока (если точнее, служат для преобразования переменного тока в пульсирующий ток постоянного направления.)

Схематическое изображение (рис. а) и фотография (рис. б) полупроводникового диода приведено на рисунке 16.

Рис. 16

Светодиоды

Светодиод или светоизлучающий диод - полупроводниковый прибор с p-n-переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока.

Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра, его спектральные характеристики зависят в том числе от химического состава использованных в нём полупроводников.

Литература

1. Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. - Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. - C. 300-308.
2. Буров Л.И., Стрельченя В.Μ. Физика от А до Я: учащимся, абитуриентам, репетиторам. - Мн.: Парадокс, 2000. - С. 219-228.
3. Мякишев Г. Я. Физика: Электродинамика. 10 – 11 кл.: учебник для углубленного изучения физики/ Г.Я. Мякишев, А.З. Синяков, Б.А. Слободсков. - М.: Дрофа, 2005. - С. 309-320.
4. Яворский Б. М., Селезнев Ю. А. Справочное руководство по физике для поступающих в вузы и самообразования. - М.: Наука, 1984. - С. 165-169.

Полупроводник - это вещество, у которого удельное сопротивление может изменяться в широких пределах и очень быстро убывает с повышением температуры., а это значит, что электрическая проводимость (1/R) увеличивается.
- наблюдается у кремния, германия, селена и у некоторых соединений.

Механизм проводимости у полупроводников

Кристаллы полупроводников имеют атомную кристаллическую решетку, где внешние электроны связаны с соседними атомами ковалентными связями.

При низких температурах у чистых полупроводников свободных электронов нет и он ведет себя как диэлектрик.

Полупроводники чистые (без примесей)

Если полупроводник чистый(без примесей), то он обладает собственной проводимостью, которая невелика.

Собственная проводимость бывает двух видов:

1 электронная (проводимость "n " - типа)

При низких температурах в полупроводниках все электроны связаны с ядрами и сопротивление большое; при увеличении температуры кинетическая энергия частиц увеличивается, рушатся связи и возникают свободные электроны - сопротивление уменьшается.
Свободные электроны перемещаются противоположно вектору напряженности эл.поля.
Электронная проводимость полупроводников обусловлена наличием свободных электронов.

2. дырочная (проводимость " p"- типа)

При увеличении температуры разрушаются ковалентные связи, осуществляемые валентными электронами, между атомами и образуются места с недостающим электроном - "дырка".
Она может перемещаться по всему кристаллу, т.к. ее место может замещаться валентными электронами. Перемещение "дырки" равноценно перемещению положительного заряда.
Перемещение дырки происходит в направлении вектора напряженности электрического поля.

Кроме нагревания, разрыв ковалентных связей и возникновение собственной проводимости полупроводников могут быть вызваны освещением (фотопроводимость) и действием сильных электрических полей

Общая проводимость чистого полупроводника складывается из проводимостей "p" и "n" -типов
и называется электронно-дырочной проводимостью.

Полупроводники при наличии примесей

У них существует собственная + примесная проводимость
Наличие примесей сильно увеличивает проводимость.
При изменении концентрации примесей изменяется число носителей эл.тока - электронов и дырок.
Возможность управления током лежит в основе широкого применения полупроводников.

Существуют:

1) донорные примеси (отдающие)

Являются дополнительными поставщиками электронов в кристаллы полупроводника, легко отдают электроны и увеличивают число свободных электронов в полупроводнике.
Это проводники " n " - типа , т.е. полупроводники с донорными примесями, где основной носитель заряда - электроны, а неосновной - дырки.
Такой полупроводник обладает электронной примесной проводимостью.

Например - мышьяк.

2. акцепторные примеси (принимающие)

Создают "дырки", забирая в себя электроны.
Это полупроводники " p "- типа, т.е. полупроводники с акцепторными примесями, где основной носитель заряда - дырки, а неосновной - электроны.
Такой полупроводник обладает дырочной примесной проводимостью.

Например - индий.

Электрические свойства "p-n" перехода

"p-n" переход (или электронно-дырочный переход) - область контакта двух полупроводников, где происходит смена проводимости с электронной на дырочную (или наоборот).

В кристалле полупроводника введением примесей можно создать такие области. В зоне контакта двух полупроводников с различными проводимостями будет проходить взаимная диффузия. электронов и дырок и образуется запирающий электрический слой.Электрическое поле запирающего слоя препятствует дальнейшему переходу электронов и дырок через границу. Запирающий слой имеет повышенное сопротивление по сравнению с другими областями полупроводника.

Внешнее электрическое поле влияет на сопротивление запирающего слоя.
При прямом (пропускном) направлении внешнего эл.поля эл.ток проходит через границу двух полупроводников.
Т.к. электроны и дырки движутся навстречу друг другу к границе раздела, то электроны, переходя границу, заполняют дырки. Толщина запирающего слоя и его сопротивление непрерывно уменьшаются.

Пропускной режим р-n перехода:

При запирающем (обратном) направлении внешнего электрического поля электрический ток через область контакта двух полупроводников проходить не будет.
Т.к. электроны и дырки перемещаются от границы в противоположные стороны, то запирающий слой утолщается, его сопротивление увеличивается.

Запирающий режим р-n перехода.

Цель урока: сформировать представление о свободные
носители электрического заряда в полупроводниках и о
природе электрического тока в полупроводниках.
Тип урока: урок изучения нового материала.
ПЛАН УРОКА
Контроль знаний 5 мин. 1. Электрический ток в металлах.
2. Электрический ток в электролитах.
3. Закон Фарадея для электролиза.
4. Электрический ток в газах
Демонстрации
5 мин. Фрагменты видеофильма «Электрический ток в
полупроводниках»
Изучение нового
материала
28
мин.
1. Носители зарядов в полупроводниках.
2. Примесная проводимость полупроводников.
3. Электронно-дырочный переход.
4. Полупроводниковые диоды и транзисторы.
5. Интегральные микросхемы
Закрепление
изученного
материала
7 мин. 1. Качественные вопросы.
2. Учимся решать задачи

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА
1. Носи зарядов в полупроводниках

Удельные сопротивления полупроводников при комнатной
температуре имеют значения, которые находятся в широком
интервале, т.е. от 10-3 до 107 Ом·м, и занимают
промежуточное положение между металлами и диэлектриками.
Полупроводники - вещества, удельное сопротивление которых
очень быстро убывает с повышением температуры.
К полупроводникам относятся многие химические элементы
(бор, кремний, германий, фосфор, мышьяк, селен, теллур и др.),
огромное количество минералов, сплавов и химических
соединений. Почти все неорганические вещества окружающего
мира - полупроводники.
За достаточно низких температур и отсутствия внешних
воздействий
освещения или нагревания)
полупроводники не проводят электрический ток: при этих
условиях все электроны в полупроводниках являются
связанными.
Однако связь электронов со своими атомами в
полупроводниках не такой крепкий, как в диэлектриках. И в
случае повышения температуры, а так же за яркого освещения
некоторые электроны отрываются от своих атомов и становятся
свободными зарядами, то есть могут перемещаться по всем
образцом.
Благодаря этому в полупроводниках появляются
отрицательные носители заряда - свободные электроны.

Когда электрон отрывается от атома, положительный заряд
этого атома становится некомпенсированным, т.е. в этом месте
появляется лишний положительный
Этот
положительный заряд называют «дыркой». Атом, вблизи
которого образовалась дырка, может отобрать связанный
электрон у соседнего атома, при этом дырка переместится до
соседнего атома, а тот атом, в свою очередь, может «передать»
дырку дальше.
Такое «естафетне» перемещение связанных электронов можно
рассматривать как перемещение дырок,
то есть
положительных зарядов.
(например,
заряд.

Проводимость полупроводника, обусловленная движением

дырок, называется дырочной.
отличие дырочной проводимости от
Таким образом,
электронной заключается в том, что электронная проводимость
обусловлена перемещением в полупроводниках свободных
электронов, а дырочная - перемещением связанных электронов.
В чистом полупроводнике (без примесей) электрический ток
создает одинаковое количество свободных электронов и дырок.
Такую проводимость называют собственной проводимостью
полупроводников.
2. Примесная проводимость полупроводников
Если добавить в чистый расплавленный кремний
незначительное количество мышьяка (примерно 10-5 %), после
твердения образуется обычная кристаллическая решетка
кремния, но в некоторых узлах решетки вместо атомов кремния
будут находиться атомы мышьяка.
Мышьяк, как известно, пятивалентный элемент. Чотиривалентні
электроны образуют парные электронные связи с соседними
атомами кремния. Пятом же валентному электрону связи не
хватит, при этом он будет так слабо связан с атомом Мышьяка,
который легко становится свободным. В результате каждый
атом примеси даст один свободный электрон.

Примеси, атомы которых легко отдают электроны, называются
донорными.
Электроны из атомов кремния могут становиться свободными,
образуя дыру, поэтому в кристалле могут одновременно

Примеси, которые «захватывают» электроны атомов
называются
существовать и свободные электроны и дырки. Однако
свободных электронов во много раз будет больше, чем дырок.
Полупроводники, в которых основными носителями зарядов

Если в кремний добавить незначительное количество
трехвалентного индию,
то характер проводимости
полупроводника изменится. Поскольку индий имеет три
валентных электрона, то он может установить ковалентная
связь только с тремя соседними атомами. Для установления
связи с четвертым атомом электрона не хватит. Индий
«одолжит» электрон в соседних атомов, в результате каждый
атом Индия образует одно вакантное место - дырку.

акцепторными.
В случае акцепторной примеси основными носителями заряда
во время прохождения электрического тока через
полупроводник есть дыры. Полупроводники, в которых
основными носителями зарядов являются дырки, называют
полупроводниками р-типа.
Практически все полупроводники содержат и донорные, и
акцепторные примеси. Тип проводимости полупроводника
определяет примесь с более высокой концентрацией носителей
заряда - электронов и дырок.
3. Электронно-дырочный переход
Среди физических свойств, присущих полупроводникам,
наибольшее применение получили свойства контактов (р-n-
перехода) между полупроводниками с разными типами
проводимости.
В полупроводнике n-типа электроны участвуют в тепловом
движении и диффундируют через границу в полупроводника р-
типа, где их концентрация значительно меньше. Точно так же
дырки будут диффундировать из полупроводника р-типа в
полупроводник п-типа. Это происходит подобно тому, как
атомы растворенного вещества диффундируют из крепкого
раствора в слабый в случае их столкновения.
В результате диффузии приконтактна участок обедняется
основными носителями заряда: в полупроводнике n-типа

уменьшается концентрация электронов, а в полупроводнике р-
типа - концентрация дырок.
Поэтому сопротивление
приконтактної участка оказывается очень значительным.
Диффузия электронов и дырок через р-n-переходе приводит к
тому, что полупроводник n-типа, из которого идут электроны,
заряжается положительно, а р-типа - отрицательно. Возникает
двойной электрический слой, что создает электрическое поле,
которое препятствует дальнейшей диффузии свободных
носителей тока через контакт полупроводников. По некоторой
напряжения между двойным заряженным слоем дальнейшее
обнищание приконтактної участка основными носителями
прекращается.
Если теперь полупроводник присоединить к источнику тока
так, чтобы его электронная область соединялась с
отрицательным полюсом источника, а дырочная - с
положительным, то электрическое поле, созданное источником
тока, будет направлено так, что оно перемещать основные
носители тока в каждом участке полупроводника с р-n-
перехода.
При контакте участок будет обогащаться основными
носителями тока, и его сопротивление уменьшится. Через
контакт будет проходить заметный ток. Направление тока в
этом случае называют пропускным, или прямым.
Если же присоединить полупроводник n-типа к
положительному, а р-типа к отрицательному полюсу источника,
то приконтактна участок расширяется. Сопротивление области
значительно увеличивается. Ток через переходный слой будет
очень мал. Это направление тока называют замыкающим, или
обратным.
4. Полупроводниковые диоды и транзисторы
Следовательно, через границу раздела полупроводников n-типа
и р-типа электрический ток идет только в одном направлении -
от полупроводника p-типа к полупроводнику n-типа.
Это используют в устройствах, которые называют диодами.
Полупроводниковые диоды используют для выпрямления тока
переменного направления (такой ток называют переменным), а
также для изготовления светодиодов. Полупроводниковые
выпрямители имеют высокую надежность и длительный срок
использования.

устройствах:
Широко применяют полупроводниковые диоды в
радиотехнических
радиоприемниках,
видеомагнитофонах, телевизорах, компьютерах.
Еще более важным применением полупроводников стал
транзистор. Он состоит из трех слоев полупроводников: по
краям расположены полупроводники одного типа, а между
ними - тонкий слой полупроводника другого типа. Широкое
применение транзисторов обусловлено тем, что с их помощью
можно усиливать электрические сигналы. Поэтому транзистор
стал основным элементом многих полупроводниковых
приборов.
5. Интегральные микросхемы
Полупроводниковые диоды и транзисторы являются
«кирпичиками» очень сложных устройств, которые называют
интегральными микросхемами.
Микросхемы работают сегодня в компьютерах и телевизорах,
мобильных телефонах и искусственных спутниках,
в
автомобилях, самолетах и даже в стиральных машинах.
Интегральную схему изготавливают на пластинке кремния.
Размер пластинки - от миллиметра до сантиметра, причем на
одной такой пластинке может размещаться до миллиона
компонентов - крошечных диодов, транзисторов, резисторов и
др.
Важными преимуществами интегральных схем является
высокое быстродействие и надежность, а также низкая
стоимость. Именно благодаря этому на основе интегральных
схем и удалось создать сложные, но многим доступны приборы,
компьютеры и предметы современной бытовой техники.

ВОПРОС К УЧАЩИМСЯ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА
Первый уровень
1. Какие вещества можно отнести к полупроводниковых?
2. Движением которых заряженных частиц создается ток в
полупроводниках?
3. Почему сопротивление полупроводников очень сильно
зависит от наличия примесей?

4. Как образуется p-n-переход? Какое свойство имеет p-n-
переход?
5. Почему свободные носители зарядов не могут пройти
сквозь p-n-переход полупроводника?
Второй уровень
1. После введения в германий примеси мышьяка концентрация

этом концентрация дырок?
2. С помощью какого опыта можно убедиться в односторонней
проводимости полупроводникового диода?
3. Можно ли получить р-n-переход, выполнив вплавления олова
в германий или кремний?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА
1). Качественные вопросы
1.
Почему требования к чистоте полупроводниковых
материалов очень высоки (в ряде случаев не допускается
наличие даже одного атома примеси на миллион атомов)?
2. После введения в германий примеси мышьяка концентрация
электронов проводимости увеличилась. Как изменилась при
этом концентрация дырок?
3. Что происходит в контакте двух полупроводников n- и р-
типа?
4. В закрытом ящике находятся полупроводниковый диод и
реостат. Конце приборов выведены наружу и присоединены к
клеммам. Как определить, какие клеммы принадлежат диода?
2). Учимся решать задачи
1. Какую проводимость (электронную или дырочную) имеет
кремний с примесью галлия? индию? фосфора? сурьмы?
2. Какая проводимость (электронная или дырочная) будет в
кремния, если к нему добавить фосфор? бор? алюминий?
мышьяк?

3. Как изменится сопротивление образца кремния с примесью
фосфора, если ввести в него примесь галлия? Концентрация
атомов Фосфора и Галлия одинакова. (Ответ: увеличится)

ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ
· Полупроводники - вещества, удельное сопротивление которых
очень быстро снижается с повышением температуры.

электронов, называют электронной.
· Проводимость полупроводника, обусловленная движением
дырок, называется дырочной.
· Примеси, атомы которых легко отдают электроны, называются
донорными.

являются электроны, называют полупроводниками n-типа.
· Примеси, которые «захватывают» электроны атомов
кристаллической решетки полупроводников,
называются
акцепторными.
· Полупроводники, в которых основными носителями зарядов
являются дырки, называют полупроводниками р-типа.
· Контакт двух полупроводников с различными видами
проводимости имеет свойства хорошо проводить ток в одном
направлении и значительно хуже в противоположном
направлении, т.е. имеет одностороннюю проводимость.

Домашнее задание
1. §§ 11, 12.

Полупроводниками называют вещества, занимающие в отношении электропроводности промежуточное положение между хорошими проводниками и хорошими изоляторами (диэлектриками).

Полупроводниками являются и химические элементы (германий Ge, кремний Si, селен Se, теллур Te), и соединения химических элементов (PbS, CdS, и др.).

Природа носителей тока в различных полупроводниках различна. В некоторых из них носителями зарядов являются ионы; в других носителями зарядов являются электроны .

Собственная проводимость полупроводников

Существует два вида собственной проводимости полупроводников: электронная проводимость и дырочная проводимость полупроводников.

1. Электронная проводимость полупроводников.

Электронная проводимость осуществляется направленным перемещением в межатомном пространстве свободных электронов, покинувших валентную оболочку атома в результате внешних воздействий.

2. Дырочная проводимость полупроводников.

Дырочная проводимость осуществляется при направленном перемещении валентных электронов на вакантные места в парно-электронных связях - дырки. Валентный электрон нейтрального атома, находящегося в непосредственной близости к положительному иону (дырке) притягиваясь к дырке, перескакивает в неё. При этом на месте нейтрального атома образуется положительный ион (дырка), а на месте положительного иона (дырки) образуется нейтральный атом.

В идеально чистом полупроводнике без каких - либо чужеродных примесей каждому свободному электрону соответствует образование одной дырки, т.е. число участвующих в создании тока электронов и дырок одинаково.

Проводимость, при которой возникает одинаковое число носителей заряда (электронов и дырок), называется собственной проводимостью полупроводников.

Собственная проводимость полупроводников обычно невелика, так как мало число свободных электронов. Малейшие следы примесей коренным образом меняют свойства полупроводников.

Электрическая проводимость полупроводников при наличии примесей

Примесями в полупроводнике считают атомы посторонних химических элементов, не содержащиеся в основном полупроводнике.

Примесная проводимость - это проводимость полупроводников, обусловленная внесением в их кристаллические решётки примесей.

В одних случаях влияние примесей проявляется в том, что «дырочный» механизм проводимости становится практически невозможным, и ток в полупроводнике осуществляется в основном движением свободных электронов. Такие полупроводники называются электронными полупроводниками или полупроводниками n - типа (от латинского слова negativus - отрицательный). Основными носителями заряда являются электроны, а не основными - дырки. Полупроводники n - типа - это полупроводники с донорными примесями.

1. Донорные примеси.

Донорными называют примеси, легко отдающие электроны, и, следовательно, увеличивающие число свободных электронов. Донорные примеси поставляют электроны проводимости без возникновения такого же числа дырок.

Типичным примером донорной примеси в четырёхвалентном германии Ge являются пятивалентные атомы мышьяка As.

В других случаях практически невозможным становится движение свободных электронов, и ток осуществляется только движением дырок. Эти полупроводники называются дырочными полупроводниками или полупроводниками p - типа (от латинского слова positivus - положительный). Основными носителями заряда являются дырки, а не основными - электроны. . Полупроводники р - типа - это полу-проводники с акцепторными примесями.

Акцепторными называют примеси в которых для образования нормальных парноэлектронных связей недостаёт электронов.

Примером акцепторной примеси в германии Ge являются трёхвалентные атомы галлия Ga

Электрический ток через контакт полупроводников р- типа и n- типа p-n переход - это контактный слой двух примесных полупроводников p-типа и n-типа; p-n переход является границей, разделяющей области с дырочной (p) проводимостью и электронной (n) проводимостью в одном и том же монокристалле.

Прямой p-n переход

Если n-полупроводник подключён к отрицательному полюсу источника питания, а положительный полюс источника питания соединён с р-полупроводником, то под действием электрического поля электроны в n-полупроводнике и дырки в р-полупроводнике будут двигаться навстречу друг другу к границе раздела полупроводников. Электроны, переходя границу, «заполняют» дырки, ток через р-n-переход осуществляется основными носителями заряда. Вследствие этого проводимость всего образца возрастает. При таком прямом (пропускном) направлении внешнего электрического поля толщина запирающего слоя и его сопротивление уменьшаются.

В этом направлении ток проходит через границу двух полупроводников.

Обратный р-n-переход

Если n-полупроводник соединён с положительным полюсом источника питания, а р-полупроводник соединён с отрицательным полюсом источника питания, то электроны в n-полупроводнике и дырки в р-полупроводнике под действием электрического поля будут перемещаться от границы раздела в противоположные стороны, ток через р-n-переход осуществляется неосновными носителями заряда. Это приводит к утолщению запирающего слоя и увеличению его сопротивления. Вследствие этого проводимость образца оказывается незначительной, а сопротивление - большим.

Образуется так называемый запирающий слой. При таком направлении внешнего поля электрический ток через контакт р- и n-полупроводников практически не проходит.

Таким образом электронно-дырочный переход обладает одно-сторонней проводимостью.

Зависимость силы тока от напряжения - вольт - амперная характеристика р-n перехода изображена на рисунке (вольт - амперная характеристика прямого р-n перехода изображена сплошной линией, вольт - амперная характеристика обратного р-n перехода изображена пунктирной линией).

Полупроводниковые приборы:

Полупроводниковый диод - для выпрямления переменного тока, в нем используют один р - n - переход с разными сопротивлениями: в прямом направлении сопротивление р - n - перехода значительно меньше, чем в обратном.

Фоторезисторы - для регистрации и измерения слабых световых потоков. С их помощью определяют качество поверхностей, контролируют размеры изделий.

Термисторы - для дистанционного измерения температуры, противопожарной сигнализации.